在电机驱动和电器控制等众多工业领域中，绝缘栅双极型（IGBT）凭借其低损耗的优势得到了广泛应用。然而，IGBT 在短路时可能会出现短路振荡（SCOs）现象，这会大幅降低其抗短路能力。若振荡幅度过大且短路振荡的 VCE 电压范围过宽，还可能引发电磁干扰（EMI）危害。因此，深入研究并优化 IGBT 在短路条件下的 SCOs 显得尤为重要。
一般来说，IGBT 元胞的设计对 SCOs 的影响相对较小，而不同的背面 FS 层和 P + 发射极设计会改变 IGBT 的 pnp 晶体管的双极电流增益系数 αpnp，对 IGBT 的 SCOs 影响较为显著，可通过优化背面设计来避免 SCOs 的发生。
假设器件的结温（TJ）保持恒定，所需的栅极驱动电压为 VGE。在 VGE = 15V、TJ = 301K 的条件下，1200V IGBT 的输出特性曲线如图 1 所示。当输出曲线 VCE = 300V 和 500V 时，IGBT cell 部分区域（10um - 110um）的电场强度和载流子密度的垂直分布情况如图 2 所示。图中包含准等离子体区、空间电荷区和等离子体区三个特征区域。FS 区域在的高电场强度是由于漂移区存在负效电荷导致，在当前分析中暂时无需考虑。
图 1 VGE = 15V，TJ = 301K 下，1200V IGBT 的输出特性曲线（VCE = 300 V (红色)，VCE = 500 V (黑色)）
图 2 VCE = 300V (红色)，VCE = 500V (黑色) 时，图 1 中输出特性曲线中电场强度、
电子（实线）和空穴（虚线）密度的垂直分布示意图
利用 TCAD 对图 3 所示的电路进行 SCOs 工况仿真，结果如图 4 所示。从图 4 标注的五个时间点的垂直电荷载流子密度分布（图 5）可以看出，在 t1 到 t3 之间，电子和空穴基本上存储于器件内部。在 t2 到 t3 之间，电荷 - 载流子 - 等离子体浪涌逐渐形成并向前推进，大约在 t5 时刻到达 FS 区域，浪涌处会释放出电子和空穴。这种在器件内部周期性存储和释放电荷载流子以及电场强度分布的周期性变化，正是高频短路振荡发生的根本原因。
图 3 IGBT 瞬态短路 TCAD 仿真电路
图 4 TJ = 301K，RG = 0Ω，Lσ = LG = LE = 0H，VGE = 15V 时，VDC 分别为 300V 和 500V 下的集电极电流的瞬态仿真示意图（红色为 300V，黑色为 500V）
图 5 所示放大区域中不同时刻电子（实线）和空穴（虚线）密度的垂直分布情况及相应的准稳态分布（灰色）
从输出特性来看，沟道电流 ICH 通常在相对较低的 VCE 时达到饱和，而空穴电流则从低 VCE 到高 VCE 逐渐增加。这是因为集电极侧高场区域的扩展随 VCE 增大而增大，导致 p 型发射极前方的等离子体区域变小且等离子体梯度增大。因此，集电极处注入的空穴电流 IC,pnp 和 αpnp 增加。沿着输出特性曲线，SCOs 从较低的 VCE 开始出现，并随着 VCE 和 αpnp 的增加而终消失。αpnp 可以用公式 αpnp = (IC - ICH) / IC = IC,pnp / IC 计算。
下面进一步分析不同因素对 SCOs 的影响：
- p 型发射极剂量的影响：当 VG = 15V 且 TJ = 301K 时，不同 p 型发射极剂量的输出特性如图 6 所示。发射极剂量对空穴注入和 αpnp 的影响在 VCE = 250V 之前为显著。图 7 比较了 VCE = 200V 时漂移区的电场强度和电荷载流子密度的垂直分布。提高 p 型发射极剂量，p 型发射极前方剩余等离子体的范围和水平增加；在 FS 前的漂移区中，电场强度略有增加，在 FS 区域中则略有降低。从图 8 中 αpnp 和集电极电流 peak - to - peak 幅度的计算值可以看出，随着 p 型发射极剂量和 αpnp 的增加，SCOs 发生的电压范围和振荡幅度都会减小。
图 6 VGE = 15V 且 TJ = 301K 时的不同 P 型发射极剂量 dpem 的输出特性（dpem1 (黑色)，2?dpem1 (蓝色) 和 5?dpem1 (红色)。
15V 且 TJ = 301K 时，不同 p 型发射极剂量 dpem 电场强度、电子（实线）和空穴（虚线）密度的垂直分布情况
图 9 E = 15V 且 TJ = 301K 时不同 FS 层剂量 dfs 的输出特性（dfs1 (黑色)，0.8?dfs1 (蓝色) 和 0.6?dfs1 (红色)）
图 10 VCE = 200 V，VGE = 15V 且 TJ = 301K 时，不同场截断剂量 dfs 下电场强度、电子（实线）和空穴（虚线）密度的垂直分布情况
图 11 基于图 9 计算得出的 αpnp，VDC 电压为 50V 至 700V 范围内 VGE = 15V 且 TJ = 301K 时不同场截剂量 dfs 下的 peak - to - peak - 集电极幅值 - 结温的影响：当 VGE = 15V 且 TJ 不同时，输出特性如图 12 所示。温度的变化会同时影响空穴电流和沟道电流。图 13 比较了 VCE = 200V 时漂移区电场强度和电荷载流子密度的垂直分布。p 型发射极前方剩余等离子体区域的范围随着结温的升高而减小。从图 14 可以看出，不仅 SCOs VDC 电压的范围及振幅随 TJ 的变化降低，而且在较低 VCE 时 αpnp 也会随着 TJ 的变化而降低。这可能是由于随着 TJ 的增加，电荷载流子迁移率降低所导致的。
图 12 VGE = 15V 时不同结温 TJ 输出特性（TJ = 240K (蓝色)，TJ = 301K (黑色)，TJ = 450K (红色)
图 13 VCE = 200V，VGE = 15V 下，不同结温 TJ 下电场强度、电子（实线）和空穴（虚线）密度的垂直分布情况
图 14 基于图 9 计算得出的 αpnp，VDC 电压为 50V 至 700V 范围内 VGE = 15V 情况下不同结温 TJ 下的 peak - to - peak - 集电极幅值
关键词：IGBT 短路
